EP2583079A1 - Vorrichtung und verfahren zur prüfung der haftfestigkeit einer beschichtung auf einem substrat - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur prüfung der haftfestigkeit einer beschichtung auf einem substrat

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EP2583079A1
EP2583079A1 EP11732396.4A EP11732396A EP2583079A1 EP 2583079 A1 EP2583079 A1 EP 2583079A1 EP 11732396 A EP11732396 A EP 11732396A EP 2583079 A1 EP2583079 A1 EP 2583079A1
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EP
European Patent Office
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substrate
coating
evaluation unit
surface area
mechanical stress
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11732396.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhold Bethke
Michael Eder
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2583079A1 publication Critical patent/EP2583079A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/04—Measuring adhesive force between materials, e.g. of sealing tape, of coating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/42—Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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    • G01N2203/0062—Crack or flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0098—Tests specified by its name, e.g. Charpy, Brinnel, Mullen
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    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/022—Environment of the test
    • G01N2203/0222—Temperature
    • G01N2203/0226—High temperature; Heating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/02—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor using a plurality of sample containers moved by a conveyor system past one or more treatment or analysis stations
    • G01N35/04—Details of the conveyor system

Definitions

  • the invention relates to a device for testing the adhesion of a coating on a substrate, comprising a device for producing a
  • the invention relates to a method for testing the adhesion of a coating on a substrate, wherein in a first process step applied to at least a predetermined surface area of the coating, a mechanical stress and in a second process step, the surface area by means of a
  • Evaluation unit is examined for damage.
  • Coatings can be applied to substrates by a variety of methods known per se.
  • the coating can increase the mechanical or thermal resistance of the substrate or serve decorative purposes. To ensure functional reliability, adequate adhesion of the coating to the substrate is required.
  • methods of the type mentioned in the development of novel coatings or for quality assurance during the manufacture of coated components for testing and evaluation of the adhesive strength are used.
  • the adhesive strength of the coating may be greater or even lower due to different thermal expansion coefficients of the base material and the coating at higher temperatures. Therefore, the test and evaluation of the adhesive strength at the planned service temperature
  • the invention is therefore based on the object
  • Measuring method of the type mentioned so educate that the implementation of the measurement can be made more reliable and easier. Furthermore, a possible be created to perform the measurement at elevated temperature.
  • a device for generating a mechanical stress in a predeterminable area of the coating and an evaluation unit spatially arranged so that the coated substrate by means of a transport device between the evaluation unit and the device for generating the mechanical stress is movable.
  • the evaluation of the test impression be automated.
  • an image capture device is available, which may contain, for example, a CCD camera or another image converter known per se.
  • the image of the created test impression can then be supplied to a device for evaluating the cracks occurring in the evaluation device.
  • the means for evaluating the cracks which occur may determine a number and / or a length of the cracks.
  • the device for evaluating the cracks occurring contain software which is executed on a microprocessor or a microcontroller.
  • the evaluation device can automatically carry out further assessments of the test impression in order to determine the adhesive strength.
  • Control Device include a control device which is adapted to the means for generating a mechanical stress in a predeterminable surface area of the coating and to control the transport device sequentially, so that the transport under an applied load or mechanical stress is avoided. In this way, the predeterminable surface area is always approximate
  • Transport device contain at least one linear guide.
  • a linear guide allows in a simple manner a transfer of the substrate between the device for generating a mechanical stress and the evaluation unit.
  • the linear guide may have a mechanical or hydraulic drive.
  • the drive may be driven by a
  • Threaded rod done by means of a stepper motor. This allows accurate and reproducible positioning of the substrate.
  • multiple linear guides may be used to provide a
  • two orthogonal linear guides a Positioning of the substrate in the x and y directions
  • Device further comprise a heating device, by means of which the substrate can be brought to a predetermined temperature.
  • the heating device can supply a heat output to the substrate to be examined by means of electrical or chemical energy, which brings the substrate to a temperature which can correspond to the planned application temperature.
  • the temperature may also be greater or less than the use temperature.
  • a control device may be provided, by means of which the predeterminable temperature can be kept within a predeterminable tolerance.
  • the control device may include a PI, a PD or a PID controller with which the thermal energy supplied to the substrate is controlled. The reliability of the measurement is further increased in this way.
  • the evaluation unit can contain a light microscope in one embodiment of the invention.
  • a light microscope in one embodiment of the invention.
  • the area of the entaviden surface and / or the number of cracks on the circumference of the loaded surface area or the average crack length can be determined by subjective assessment of the operating personnel.
  • the light microscope may be connected to an electronic imager, such as a CCD camera.
  • the area-determining device and / or the counting device and / or the measuring device can be implemented in the form of software in some embodiments of the invention
  • Control Device further comprising a control device by means of which a plurality of surface areas on the substrate is selectable.
  • the control device can also carry out the automated positioning of this surface area into the detection area of the evaluation unit. In this way, a reliable assignment of the test impressions to the measurement results obtained by the evaluation unit is made possible, particularly in the case of the multiple execution of the measuring method in different surface areas. Mixing up of samples and / or strigeinativ can be avoided in this way by the use of the control device.
  • the Device further include a thermal protection device.
  • the thermal protector may serve to protect the environment and / or the user of the device from elevated temperatures.
  • the heat protection device may have at least one surface area, which is designed to be optically transparent in order to enable the detection of the substrate or of the predeterminable surface area by the evaluation unit.
  • FIG. 2 shows the sequence of a method according to the invention
  • FIG. 1 shows a device for testing the adhesion of a coating according to the present invention.
  • FIG. 1 shows by way of example a substrate 20 with a coating 21 applied thereto.
  • the substrate 20 may in some embodiments of the invention be a machine element, for example a slip ring, a bearing shell, a shaft, a bearing bush, a blade, a turbine blade or any other other, mechanically and / or thermally loaded component.
  • a coating 21 is attached, which has either a decorative function or a protective function.
  • the coating 21 may be a thermal barrier coating or a tribologically stressed coating.
  • the coating 21 may also be a sensor layer.
  • the coating 21 can be applied to the substrate 20 by means of vapor deposition, electroless or galvanic deposition, or otherwise.
  • the coating may contain a hard material, for example carbon or ceramic.
  • the coating may have a thickness of more than 3 ⁇ .
  • the coating may include a multi-layered layer system. The invention does not teach the use of a specific coating as a solution principle.
  • the device 14 may include a probe 141 in some embodiments.
  • the probe may have a radius between 0.1 mm and 1 mm.
  • the test tip 141 may be made of a hard material, such as diamond, diamond-like
  • a ceramic may in some embodiments of the invention contain a nitride, an oxide or a carbide.
  • the device 14 can be moved along the arrow on the surface of the coating 21.
  • a mechanism or hydraulic, not shown in Figure 1 may be provided, which acts on the probe 141 with a predetermined force.
  • the probe 141 and the applied force may be selected such that the device implements a Rockwell C test according to DIN 50103.
  • the evaluation unit 15 includes a detection optics 151 and a device 152 for electronic image processing.
  • the unit 152 contains on the one hand an electronic image converter, such as a CCD camera.
  • the evaluation unit 152 may have an area determination device for determining the released area and / or a counting device for
  • the evaluation unit 15 can achieve an objectifiable measurement result of the surface area 22 by means of electronic image processing, which is largely unaffected by subjective influences of the test personnel.
  • the figure shows a surface area 22 in the plan view. Visible is the central test impression 30, which was caused by the test tip 141. Furthermore, the figure shows entOSEete areas 31, in which the coating 21 is completely chipped and the base material 20 is visible. In addition, the figure shows a cracking 32 on the edge of the test impression 30.
  • the assessment of the damage pattern may be in accordance with VDI Guideline 3198.
  • a plurality of surface regions 22 can be stressed with the test tip 141. Each test impression can be detected immediately after its creation by the evaluation unit 15, so that a multiple transfer of the substrate 20 between the two positions shown in Figure 1 takes place.
  • a plurality of surface regions 22 may initially be selected and loaded with the device 14, in order subsequently to carry out an evaluation of the plurality of surface regions 22. In this way, only a single transfer of the substrate 20 by means of the transport device 12 is required.
  • Transport device 12 the substrates 20 in further, not shown positions, for example, a placement and / or removal position or a
  • the transport device 12 may be part of a larger transport system or a production line for coated substrates 20.
  • Evaluation unit 15 can be controlled by a control device 17, which takes over the positioning of the substrates 20 under the device 14 or the evaluation unit 15 and assigns the obtained test results to the respective substrate or the respective predeterminable surface area 22 of the substrate 20.
  • the control device 17 can interact with a database in which the test results are stored.
  • the device 10 may have a heater 13 in some embodiments.
  • the heating device 13 may, for example, contain an electrical heating resistor, a gas-operated burner, an induction heater or another heat source known per se.
  • the heating Device 13 is in contact with substrate 20, so that the heat generated in heater 13 is released to substrate 20.
  • the contact can according to the present invention by heat conduction or by
  • the temperature of the substrate 20 and the temperature of the heater 13 can be controlled and monitored by means of a control device 16.
  • the substrate 20 may be heated to a temperature of about 100 ° C to about 800 ° C.
  • the selected temperature may be the later use temperature of the component 20
  • the device may include a thermal protector 11.
  • the thermal protector 11 in some embodiments, may include a sheet metal housing, which may be insulated by means of an insulating material
  • the thermal protector 11 is thermally insulated. As insulating rigid foams or inorganic fiber materials such as mineral wool can be used. In order to avoid damage to the substrate or the coating by the reaction with atmospheric oxygen or nitrogen, in some embodiments of the invention, the interior of the thermal protector 11 may be purged or evacuated with an inert gas.
  • the shielding gas may in some embodiments contain a noble gas such as helium or argon.
  • the heat protection device 11 may have a surface area 111, which in the optical spectral range at least partially is transparent.
  • the surface area 111 may have an infrared reflective coating.
  • the surface area 111 may contain a window which is at least partially opaque in the infrared spectral range and at least partially transparent in the optical spectral range.
  • FIG. 2 shows a flowchart which illustrates the sequence of the method proposed according to the invention.
  • a substrate 20 to be tested with a coating applied thereto is inserted into the proposed device 10 or applied to the heating element 13.
  • the substrate 20 is brought to a desired measurement temperature, which can be monitored by the control device 16 in some embodiments of the invention. If the measurement temperature corresponds to the room temperature or the temperature which the substrate has from the preceding method step, the method step 62 can also be omitted.
  • step 63 the selection of a surface area 22 and the application of a mechanical
  • the applied force is withdrawn and the probe 141 is lifted from the surface of the coating-layer 21.
  • the probe 141 is lifted from the surface of the coating-layer 21.
  • the surface area 22 can be defined or selected by means of the evaluation unit 15. The transfer of the substrate 20 into the detection range of the evaluation unit 15 then ensues in method step 64. In the evaluation unit 15, the surface area 22 is optically detected and the size of the adhering surface 31 and / or the number of cracks 32 and / or the middle
  • the substrate 20 is cooled again to room temperature in method step 65, in order to avoid a safe handling of the substrate 20 or damage by oxidation.
  • it may be provided in method step 65 to provide a cooling gas stream or the substrate 20 with a
  • the substrate 20 can be removed from the device 10 in method step 66.
  • the device 10 is then ready to re-implement the method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Prüfung der Haftfestigkeit einer Beschichtung (21) auf einem Substrat (20), enthaltend eine Einrichtung (14) zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in einem vorgebbaren Flächenbereich (22) der Beschichtung und eine Auswerteeinheit (15), welche eine Einrichtung zur Bilderfassung und eine Einrichtung zur Bewertung der auftretenden Risse enthält, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Transporteinrichtung (12) enthält, mittels welcher das Substrat zumindest von der Einrichtung (14) zur Erzeugung einer mechanischen Spannung zur Auswerteeinheit (15) bewegbar ist, und eine Heizeinrichtung (13), mittels welcher das Substrat auf eine vorgebbare Temperatur bringbar ist.

Description

Patentanmeldung :
Vorrichtung und Verfahren zur Prüfung der Haftfestigkeit einer Beschichtung auf einem Substrat
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung der Haftfestigkeit einer Beschichtung auf einem Substrat, enthaltend eine Einrichtung zur Erzeugung einer
mechanischen Spannung in einem vorgebbaren Flächenbereich der Beschichtung und eine Auswerteeinheit, welche eine Einrichtung zur Bilderfassung und eine Einrichtung zur Bewertung der auftretenden Risse enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Prüfung der Haftfestigkeit einer Beschichtung auf einem Substrat, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt auf zumindest einen vorgebbaren Flächenbereich der Beschichtung eine mechanische Spannung aufgebracht und in einem zweiten Verfahrensschritt der Flächenbereich mittels einer
Auswerteeinheit auf Beschädigung untersucht wird.
Beschichtungen können durch eine Vielzahl an sich bekannter Verfahren auf Substraten angebracht werden. Die Beschichtung kann die mechanische oder thermische Belastbarkeit des Substrates erhöhen oder dekorativen Zwecken dienen. Zur Gewährleistung der Funktionssicherheit ist eine hinreichende Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Substrat erforderlich. Somit werden Verfahren der eingangs genannten Art bei der Entwicklung neuartiger Beschichtungen oder zur Qualitätssicherung während der Fertigung beschichteter Bauteile zur Prüfung und Bewertung der Haftfestigkeit eingesetzt.
Aus der DE 100 43 155 AI ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird ein Teilbereich der Beschichtung mittels eines Prüfkörpers belastet. Im Anschluss daran werden mittels einer lichtmikroskopischen Aufnahme das um den Prüfkörperein- druck entstehende Rissbild und der Flächeninhalt enthafteter Bereiche untersucht .
Dieses bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass das beschichtete Substrat zwischen der Belastung mit dem Prüfkörper und dem Lichtmikroskop transportiert werden muss. Dadurch ist ein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich, welcher die Effektivität des Verfahrens reduziert. Weiterhin kann es zu Verwechslungen von Substraten
und/oder zu Verwechslungen zwischen einer Mehrzahl auf einem Substrat angebrachter Prüfeindrücke kommen.
Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens
verringert .
Sofern das beschichtete Substrat bei erhöhten Betriebstemperaturen eingesetzt werden soll, kann aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundwerkstoff und Beschichtung bei höheren Temperaturen die Haftfestigkeit der Beschichtung größer oder auch geringer sein. Daher ist die Prüfung und Bewertung der Haftfestigkeit bei der geplanten Einsatztemperatur
erforderlich. Dies erfordert, dass die Belastung durch den Prüfkörper und die lichtmikroskopische Auswertung bei einheitlicher Temperatur erfolgt, um thermische Spannungen während der Messung zu vermeiden. Dadurch erfordert das bekannte Verfahren einen Transport des auf erhöhter
Temperatur befindlichen Substrates, welcher technisch aufwändig und für das Bedienpersonal gefährlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Messverfahren der eingangs genannten Art so weiterzu- bilden, dass die Durchführung der Messung zuverlässiger und einfacher erfolgen kann. Weiterhin soll eine Möglich- keit geschaffen werden, die Messung bei erhöhter Temperatur durchzuführen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Einrichtung zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in einem vorgebbaren Flächenbereich der Beschichtung und eine Auswerteeinheit räumlich so anzuordnen, dass das beschichtete Substrat mittels einer Transporteinrichtung zwischen der Auswerteeinheit und der Einrichtung zur Erzeugung der mechanischen Spannung bewegbar ist. Erfindungsgemäß wird dabei vorgeschlagen, zunächst eine mechanische Spannung vorgebbarer Größe in einem vorgebbaren Flächenbereich der Beschichtung aufzuprägen, diese dann wieder zu lösen und dann den
Flächenbereich in den Erfassungsbereich der Auswerteeinheit zu bringen. Ein Transport unter aufgeprägter Last bzw. mechanischer Spannung findet somit nicht statt. Auf diese Weise kann der Transfer des Substrates automatisiert und damit schnell und zuverlässig erfolgen. Eine Verwechslung verschiedener Substrate oder eine Verwechslung verschiedener Prüfstellen an einem Substrat kann somit vermieden werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Auswertung des Prüfeindruckes automatisiert erfolgt. Dazu steht eine Bilderfassungseinrichtung zur Verfügung, welche beispielsweise eine CCD-Kamera oder einen anderen, an sich bekannten Bildwandler enthalten kann. Das Bild des erstellten Prüfeindruckes kann dann einer Einrichtung zur Bewertung der auftretenden Risse in der Auswerteeinrichtung zugeführt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Bewertung der auftretenden Risse eine Anzahl und/oder Länge der Risse bestimmen. Hierzu kann die Einrichtung zur Bewertung der auftretenden Risse eine Software enthalten, welche auf einem Mikroprozessor oder einem MikroController ausgeführt wird. Daneben kann die Auswerteeinrichtung automatisiert weitere Beurteilungen des Prüfeindruckes vornehmen, um die Haftfestigkeit zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Vorrichtung eine Steuereinrichtung enthalten, welche dazu eingerichtet ist, die Einrichtung zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in einem vorgebbaren Flächenbereich der Beschichtung und die Transporteinrichtung sequenziell anzusteuern, so dass der Transport unter aufgeprägter Last bzw. mechanischer Spannung vermieden wird. Auf diese Weise ist der vorgebbaren Flächenbereich stets annähernd
punktförmig und nicht linienförmig ausgedehnt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Transporteinrichtung zumindest eine Linearführung ent- halten. Eine solche Linearführung erlaubt in einfacher Weise einen Transfer des Substrates zwischen der Einrichtung zur Erzeugung einer mechanischen Spannung und der Auswerteeinheit. Hierzu kann die Linearführung einen mechanischen oder hydraulischen Antrieb aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Antrieb durch eine
Gewindestange mittels eines Schrittmotors erfolgen. Dies ermöglicht eine genaue und reproduzierbare Positionierung des Substrates. In einigen Ausführungsformen können mehrere Linearführungen verwendet werden, um eine
Positionierung des Substrates in mehreren Raumrichtungen zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass zwei orthogonale Linearführungen eine Positionierung des Substrates in x- und y-Richtung
ermöglichen .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Vorrichtung weiterhin eine Heizeinrichtung enthalten, mittels welcher das Substrat auf eine vorgebbare Temperatur bringbar ist. Die Heizeinrichtung kann dem zu untersuchenden Substrat mittels elektrischer oder chemischer Energie eine Heizleistung zuführen, welche das Substrat auf eine Temperatur bringt, welche der geplanten Einsatz - temperatur entsprechen kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperatur auch größer oder geringer als die Einsatztemperatur sein. Auf diese Weise kann die Haftfestigkeit bei der geplanten Einsatztemperatur beurteilt werden, sodass eine zuverlässigere Aussage über die Haftfestigkeit der Beschichtung bei den geplanten Einsatzbedingungen ermöglicht wird. Hierzu kann in einigen Ausführungsformen eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher die vorgebbare Temperatur innerhalb einer vorgebbaren Toleranz gehalten werden kann. Die Regelein- richtung kann einen PI, einen PD oder einen PID-Regler enthalten, mit welchem die dem Substrat zugeführte thermische Energie kontrolliert wird. Die Zuverlässigkeit der Messung wird auf diese Weise weiter erhöht.
Die Auswerteeinheit kann in einer Ausführungsform der Er- findung ein Lichtmikroskop enthalten. Damit kann in an sich bekannter Weise der Flächeninhalt der enthaftenden Fläche und/oder die Anzahl der Risse am Umfang des belasteten Flächenbereiches oder die mittlere Risslänge durch subjektive Beurteilung des Bedienpersonals bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Lichtmikroskop mit einem elektronischen Bildwandler verbunden sein, beispielsweise mit einer CCD-Kamera.
Dadurch kann das Bild des Lichtmikroskopes einer Flächen- bestimmungseinrichtung und/oder einer Zähleinrichtung und/oder einer Messeinrichtung zugeführt werden, welche eine objektive Beurteilung des mit der mechanischen
Spannung beaufschlagten Flächenbereiches ermöglicht. Die Flächenbestimmungseinrichtung und/oder die Zähleinrichtung und/oder die Messeinrichtung können in einigen Ausführungsformen der Erfindung in Form einer Software realisiert sein
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Vorrichtung weiterhin eine Steuereinrichtung enthalten, mittels welcher eine Mehrzahl von Flächenbereichen auf dem Substrat auswählbar ist. Die Steuereinrichtung kann neben der Auswahl eines Flächenbereiches, welcher durch Belastung mit einer mechanischen Spannung beaufschlagt wird, auch die automatisierte Positionierung dieses Flächenbereiches in den Erfassungsbereich der Auswerteeinheit vornehmen. Auf diese Weise wird insbesondere bei der mehrfachen Durchführung des Messverfahrens in unterschiedlichen Flächenbereichen eine zuverlässige Zuordnung der Prüfeindrücke zu den von der Auswerteeinheit erhaltenen Messergebnissen ermöglicht. Verwechslungen von Proben und/oder Prüfeindrücken können auf diese Weise durch den Einsatz der Steuereinrichtung vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Vorrichtung weiterhin eine Wärmeschutzeinrichtung enthalten. Die Wärmeschutzeinrichtung kann dem Schutz der Umgebung und/oder der Benutzer der Vorrichtung vor erhöhten Temperaturen dienen. Weiterhin kann die Wärmeschutzeinrichtung zumindest einen Flächenbereich aufweisen, welcher optisch transparent ausgebildet ist, um die Erfassung des Substrates bzw. des vorgebbaren Flächenbereiches durch die Auswerteeinheit zu ermöglichen. Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt : Figur 1 den schematischen Aufbau einer vorgeschlagenen
Vorrichtung .
Figur 2 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemäßen
Messverfahrens .
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Prüfung der Haftfestig- keit einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 1 zeigt exemplarisch ein Substrat 20 mit einer darauf angebrachten Beschichtung 21. Das Substrat 20 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Maschinenelement sein, beispielsweise ein Schleifring, eine Lager- schale, eine Welle, eine Lagerbuchse, eine Schneide, eine Turbinenschaufel oder ein beliebiges anderes, mechanisch und/oder thermisch belastetes Bauteil.
Auf dem Substrat 20 ist eine Beschichtung 21 angebracht, welche entweder eine dekorative Funktion oder eine Schutz - funktion aufweist. Beispielsweise kann die Beschichtung 21 eine Wärmedämmschicht oder eine tribologisch belastete Schicht sein. In einigen Ausführungsformen kann die Beschichtung 21 auch eine Sensorschicht sein. Die Beschichtung 21 kann mittels einer Gasphasenabscheidung, durch außenstromlose oder galvanische Abscheidung oder in anderer Weise auf dem Substrat 20 angebracht werden. Die Beschichtung kann einen Hartstoff enthalten, beispielsweise Kohlenstoff oder Keramik. Die Beschichtung kann eine Dicke von mehr als 3 μπι aufweisen. In einigen Ausführungs- formen kann die Beschichtung ein Schichtsystem aus mehreren Einzelschichten enthalten. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung einer bestimmten Beschichtung als Lösungsprinzip .
Damit sich die Beschichtung 21 bei Betrieb des Substrates bzw. Bauelementes 20 nicht unbeabsichtigt löst, muss eine hinreichende Haftfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Substrat vorliegen. Die Haftfestigkeit wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 geprüft.
Zur Prüfung wird mittels einer Einrichtung 14 in einem vorgebaren Flächenbereich 22 der Beschichtung 21 eine mechanische Spannung erzeugt. Die Einrichtung 14 kann in einigen Ausführungsformen eine Prüfspitze 141 aufweisen. Die Prüfspitze kann einen Radius zwischen 0,1 mm und 1 mm aufweisen. Die Prüfspitze 141 kann aus einem Hartstoff bestehen, beispielsweise Diamant, diamantartigem
Kohlenstoff oder einer Keramik. Eine Keramik kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Nitrid, ein Oxid oder ein Carbid enthalten. Die Einrichtung 14 kann entlang des eingezeichneten Pfeils auf die Oberfläche der Beschichtung 21 bewegt werden. Hierzu kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine in Figur 1 nicht dargestellte Mechanik oder Hydraulik vorgesehen sein, welche die Prüfspitze 141 mit einer vorgebbaren Kraft beaufschlagt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Prüfspitze 141 und die aufgebrachte Kraft so ausgewählt sein, dass die Vorrichtung einen Rockwell-C- Test gemäß DIN 50103 verwirklicht.
Im Anschluss an die mechanische Belastung des Flächenbereiches 22 wird das Substrat 20 mittels der Transporteinrichtung 12 in den Erfassungsbereich der Auswerteein- heit 15 verbracht. Die Auswerteeinheit 15 enthält eine Erfassungsoptik 151 sowie eine Einrichtung 152 zur elektronischen Bildverarbeitung. Die Einheit 152 enthält einerseits einen elektronischen Bildwandler, beispielsweise eine CCD-Kamera. Weiterhin kann die Auswerteeinheit 152 eine Flächenbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der enthafteten Fläche und/oder eine Zähleinrichtung zur
Bestimmung der Anzahl der Risse und/oder eine Messeinrichtung zur Bestimmung der mittleren Risslänge enthalten. Auf diese Weise kann die Auswerteeinheit 15 mittels elektronischer Bildverarbeitung ein objektivierbares Messergebnis des Flächenbereiches 22 erzielen, welches von subjektiven Einflüssen des PrüfPersonals weitgehend unbeeinflusst ist.
Im oberen rechten Bildteil der Figur 1 ist schematisch ein mögliches Prüfergebnis dargestellt. Die Figur zeigt einen Flächenbereich 22 in der Aufsicht. Erkennbar ist der zen- trale Prüfeindruck 30, welcher durch die Prüfspitze 141 hervorgerufen wurde. Weiterhin zeigt die Figur enthaftete Bereiche 31, in welchen die Beschichtung 21 vollständig abgeplatzt ist und der Grundwerkstoff 20 sichtbar wird. Darüber hinaus zeigt die Figur eine Rissbildung 32 am Rande des Prüfeindruckes 30. Durch Bestimmung der Größe der enthaftenden Fläche 31 und/oder durch Bestimmung der Anzahl der Risse am Umfang des Prüfeindruckes 30 und/oder durch die Messung der mittleren Risslänge kann das Ausmaß der Schädigung bestimmt und daraus die Haftfestigkeit der Beschichtung 21 auf dem Substrat 20 bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Beurteilung des Schadbildes gemäß der VDI-Richtlinie 3198 erfolgen .
Um die Haftfestigkeit der Beschichtung 21 in unterschied- liehen Flächenbereichen zu beurteilen, kann eine Mehrzahl von Flächenbereichen 22 mit der Prüfspitze 141 beansprucht werden. Dabei kann jeder Prüfeindruck sofort nach seiner Erstellung durch die Auswerteeinheit 15 erfasst werden, sodass ein mehrfacher Transfer des Substrates 20 zwischen den beiden in Figur 1 dargestellten Positionen erfolgt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann zunächst eine Mehrzahl von Flächenbereichen 22 ausgewählt und mit der Einrichtung 14 belastet werden, um im Nachgang eine Auswertung der Mehrzahl von Flächenbereichen 22 durchzuführen. Auf diese Weise ist nur ein einziger Transfer des Substrates 20 mittels der Transporteinrichtung 12 erforderlich . In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Transporteinrichtung 12 die Substrate 20 in weitere, nicht dargestellte Positionen verfahren, beispielsweise eine Bestückungs- und/oder Entnahmeposition oder eine
Fertigungsposition. In diesem Fall kann die Transportein- richtung 12 Bestandteil eines größeren Transportsystems bzw. einer Fertigungsstraße für beschichtete Substrate 20 sein. Die Transporteinrichtung 12, die Einrichtung 14 zur Erzeugung einer mechanischen Spannung und/oder die
Auswerteeinheit 15 können durch eine Steuereinrichtung 17 gesteuert werden, welche die Positionierung der Substrate 20 unter der Einrichtung 14 bzw. der Auswerteeinheit 15 übernimmt und die erhaltenen Prüfergebnisse dem jeweiligen Substrat bzw. dem jeweiligen vorgebbaren Flächenbereich 22 des Substrates 20 zuordnet. Hierzu kann die Steuerein- richtung 17 mit einer Datenbank zusammenwirken, in welche die Prüfergebnisse abgelegt werden.
Um eine Prüfung der Haftfestigkeit auch bei einer von der Raumtemperatur abweichenden Temperatur zu ermöglichen, kann die Vorrichtung 10 in einigen Ausführungsformen eine Heizeinrichtung 13 aufweisen. Die Heizeinrichtung 13 kann beispielsweise einen elektrischen Heizwiderstand, einen gasbetriebenen Brenner, eine Induktionsheizung oder eine andere, an sich bekannte Wärmequelle enthalten. Die Heiz- einrichtung 13 steht mit dem Substrat 20 in Kontakt, so dass die in der Heizeinrichtung 13 erzeugte Wärme an das Substrat 20 abgegeben wird. Der Kontakt kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch Wärmeleitung oder durch
Wärmestrahlung oder durch ein anderes Feld vermittelt werden. Die Temperatur des Substrates 20 bzw. die Temperatur der Heizeinrichtung 13 kann mittels einer Regeleinrichtung 16 kontrolliert und überwacht werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auf diese Weise das Substrat 20 auf eine Temperatur von etwa 100°C bis etwa 800 °C erwärmt werden. Die gewählte Temperatur kann der späteren Einsatztemperatur des Bauelementes 20
entsprechen .
Um eine Gefährdung des Benutzers durch die erhöhte Temperatur des Substrates 20 zu vermeiden, kann die Vorrichtung in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Wärmeschutzeinrichtung 11 aufweisen. Die Wärmeschutzeinrichtung 11 kann in einigen Ausführungsformen ein Blechgehäuse enthalten, welches mittels eines Isoliermaterials
thermisch isoliert ist. Als Isoliermaterial können Hartschäume oder anorganische Fasermaterialien wie beispielsweise Mineralwolle eingesetzt werden. Um eine Beschädigung des Substrates bzw. der Beschichtung durch die Reaktion mit Luftsauerstoff oder Stickstoff zu vermeiden, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung das Innere der Wärmeschutzeinrichtung 11 mit einem Schutzgas gespült oder evakuiert werden. Das Schutzgas kann in einigen Ausführungsformen ein Edelgas wie Helium oder Argon enthalten . Um eine optische Erfassung des Flächenbereiches 22 durch die Auswerteeinheit 15 zu ermöglichen, kann die Wärmeschutzeinrichtung 11 einen Flächenbereich 111 aufweisen, welcher im optischen Spektralbereich zumindest teilweise transparent ist. Um die Auswerteeinheit 15 vor der
thermischen Last zu schützen, kann der Flächenbereich 111 eine Infrarot reflektierende Beschichtung aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Flächen- bereich 111 ein Fenster enthalten, welches im infraroten Spektralbereich zumindest teilweise opak und im optischen Spektralbereich zumindest teilweise transparent ausgestaltet ist.
Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm, welches den Ablauf des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens illustriert. Im ersten Verfahrensschritt 61 wird ein zu prüfendes Substrat 20 mit einer darauf angebrachten Beschichtung in die vorgeschlagene Vorrichtung 10 eingesetzt bzw. auf das Heizelement 13 aufgebracht. Im darauf folgenden Verfahrensschritt 62 wird das Substrat 20 auf eine gewünschte Messtemperatur gebracht, welche in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch die Regeleinrichtung 16 überwacht werden kann. Sofern die Messtemperatur der Raumtemperatur oder derjenigen Temperatur entspricht, welche das Substrat vom vorhergehenden Verfahrensschritt aufweist, kann der Verfahrensschritt 62 auch entfallen.
Sobald das Substrat 20 die vorgesehene Temperatur erreicht hat, erfolgt im Verfahrensschritt 63 die Auswahl eines Flächenbereiches 22 und das Ausüben einer mechanischen
Spannung auf diesen Flächenbereich 22 mittels der Einrichtung 14. Nachdem der Flächenbereich 22 mit der Einrichtung 14 belastet wurde, wird die beaufschlagende Kraft zurückgenommen und die Prüfspitze 141 von der Oberfläche der Be- Schichtung 21 abgehoben. In einigen Ausführungsformen der
Erfindung kann der Flächenbereich 22 mit Hilfe der Auswerteeinheit 15 definiert bzw. ausgewählt werden. Daraufhin erfolgt im Verfahrensschritt 64 der Transfer des Substrates 20 in den Erfassungsbereich der Auswerteeinheit 15. In der Auswerteeinheit 15 wird der Flächenbereich 22 optisch erfasst und die Größe der enthaftenden Fläche 31 und/oder die Anzahl der Risse 32 und/oder die mittlere
Risslänge bestimmt. Nach Abschluss des Verfahrensschrittes 64 kann eine Aussage über die Haftfestigkeit der Be- schichtung 21 auf dem Substrat 20 gemacht werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Ver- fahrensschritte 63 und 64 noch mehrmals wiederholt werden, um unterschiedliche Flächenbereiche 22 zu überprüfen. Auf diese Weise kann die Verteilung der Haftfestigkeit über die Oberfläche des Substrates 20 bestimmt werden.
Nach der letztmaligen Durchführung des Messverfahrens wird das Substrat 20 im Verfahrensschritt 65 wieder auf Raumtemperatur abgekühlt, um eine gefahrlose Handhabung des Substrates 20 oder eine Beschädigung durch Oxidation zu vermeiden. Um die Abkühlung zu beschleunigen, kann im Verfahrensschritt 65 vorgesehen sein, einen kühlenden Gas- ström bereitzustellen oder das Substrat 20 mit einer
Wärmesenke in Kontakt zu bringen.
Schließlich kann das Substrat 20 im Verfahrensschritt 66 aus der Vorrichtung 10 entnommen werden. Die Vorrichtung 10 ist dann zur erneuten Durchführung des Verfahrens bereit.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden An- Sprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus . Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger
Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Prüfung der Haftfestigkeit einer Beschichtung (21) auf einem Substrat (20) , enthaltend eine Einrichtung (14) zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in einem vorgebbaren Flächenbereich (22) der
Beschichtung und eine Auswerteeinheit (15) , welche eine Einrichtung zur Bilderfassung und eine Einrichtung zur Bewertung der auftretenden Risse enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin eine Transporteinrichtung (12) enthält, mittels welcher das
Substrat zumindest von der Einrichtung (14) zur Erzeugung einer mechanischen Spannung zur Auswerteeinheit (15) bewegbar ist, und eine Heizeinrichtung (13), mittels welcher das Substrat auf eine vorgebbare Tempe- ratur bringbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (12) zumindest eine
Linearführung enthält.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, weiter- hin enthaltend eine Regeleinrichtung (16), mittels welcher die vorgebbare Temperatur innerhalb einer vorgebbaren Toleranz konstant haltbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15) eine Flächenbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der enthafteten Fläche (31) und/oder eine Zähleinrichtung zur Bestimmung der Anzahl der Risse (32) am Umfang und/oder eine Messeinrichtung zur Bestimmung der mittleren Risslänge enthält.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin enthaltend eine Steuereinrichtung (17) , mittels welcher eine Mehrzahl von Flächenbereichen (22) auswählbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin enthaltend eine Wärmeschutzeinrichtung (11) .
7. Verfahren zur Prüfung der Haftfestigkeit einer
Beschichtung (21) auf einem Substrat (20) , bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt (63) auf zumindest einen vorgebbaren Flächenbereich (22) der Beschichtung
(21) eine mechanische Spannung aufgebracht und in einem zweiten Verfahrensschritt (64) der Flächenbereich (22) mittels einer Auswerteeinheit (15) auf Beschädigung untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das
Substrat (20) mittels einer Heizeinrichtung (13) auf eine vorgebbare Temperatur gebracht und zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt mittels einer Transporteinrichtung (12) bewegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 800°C gebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinheit (15) die
enthaftete Fläche (31) und/oder die Anzahl der Risse (32) und/oder die mittlere Risslänge bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Flächenbereichen
(22) ausgewählt und der erste und zweite Verfahrensschritt mehrfach ausgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrates (20) zwischen dem ersten und zweiten Verfahrensschritt innerhalb einer vorgebbaren Toleranz konstant bleibt .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat nicht bewegt wird, während auf einen vorgebbaren Flächenbereich (22) der Beschichtung (21) eine mechanische Spannung aufgebracht wird .
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